Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Отсюда гЪТ Г д7"л П(дЪ')дТ)г гзР (,д!з/я С~ (! 05.1) Г Т д!' Т,— Т, = ) — ( —...) дГ. (! 05.2) Рл Сравнивая ее с формулой (104.12), видим, что при прочих равных условиях охлаждение при обратимом адиабагическом расширении будет болыпе, чем при дросселировании. Охлаждение будет происходить нс только в случае реальных, но и в случае идеальных газов. Это объясняется гем, что работа производится за счет убыли внутренней энергии газа, а последняя для ллгдешльных газов яшшется монотонно возрастающей функцией одной только температуры.
С молекулярнокинети некой точки зрения явление было подробно рассмотрено в лз 67. Охлаждение связано с тем, гго молекулы газа вынуждают отражаться от движущегося поршня. Давление газа может быть недостаточным, чтобы преодолеть вредные сопротивления и привести поршень в движение. Тогда его можно привести в движение мотором. Все равно Гели температурный коэффициент объемного расширения положителен (как у газов), то при адиабагическом расширении получается охлаждение.
Соответствуюлций интегрвльиын эффект описывается формулой ! 105) ЛГетодъз получения низких зиемигразпур и гж.ззжеззззл еовов 403 охлаждение будет происходить. Используя мотор, мы вынуждаем молекулы газа отражаться от движущейся стенки и совершать работу. Эффект Джоуля-Томсона в идеальных газах не имеет места (см. З 46), а потому с идеальньзми газами с его помощью нельзя получить никакого охлаждения. 2. На рисунках 109 и 110 изображены принципиальные схемы холодильных циклов, работающих по принципу адиабатического расширения и дросселирования.
Цикл с применением дроссолирования газа (рис. 110) был независимо друг от друга предложен в 1890 г. Рис. 109 Рис. 11О Хеьзпсоном (!840 — 1900) в Англии и 1!инде (1842 — !934) в Германии. Цикл с адиабатическим расширением газа Грие. 109) был фактически запатентован Сименсом (1810 — 1892) еще в 18бз7 г.
Однако только французскому инженеру Клоду удалось в 1902 г. с помощью такого цикла получить жидкий воздух. 1!оэтому метод получения низких температур и сжижения газов с использованием этого цикла получил название метода Клода. Мы совершенно не будем касаться конструктивных деталей реальных холодильных установок. Ограничимся только схематическим рассмотрением принципов их действия. Г!оршень компрессора 1 сжимает газ в цилиндре 9.
! !ри этом газ нагревается. Сжатый и нагретый гвз, покидая цилиндр 9, охлаждается водой б. Далее в установках типа Клода газ поступает в цилиндр дегвандера 4, т.е. поршневой машины, в которой осуществляется адиабатическое расширение газа— ! Гл, Ъ'!!! Реальнляе газы 404 газ производит работу над поршнем Я. В устанонках типа Хемпсона †Лин вместо детандера применяется вен>пиль У, через который производится дросселиронание газа. В обоих случаях газ охлаждается.
Охлажденный газ, прежде чем вернуться в цилиндр 9, проходит через ве>пол«огатгльное устройство 6, мазь>наемое >пеплоабмеят>хом, Обычно теплообменник представляет собой двойную трубу: наружную и вставленную н нее внутреннюю. '1"рубы свернуты в винтовую спираль )змеевик). По внутренней трубе поступает газ в детандор, или в вентил>ч по наружной возвращается газ, охлажденный в детандоре или после дроссслнрования через вентиль.
Охлажденный поток газа в наружной трубе дополнительно охлаждает новую порцию газа, текущего ему навстречу по внутренней трубе к дотандору или вентилю. Это охлаждение и является назначением теплообменника. 'Гаким образом, после каждого хода поршня в детандор или к вентилю будет поступать нсе более холодный газ. Наконец, наступает такой момент, когда поступающий газ охлаждается настолько сильно, что после очередного адиабатичсского расширения или дроссслирования он начинает сжижаться. 3. По сравнению с методом адиабатического охлаждения метод, основанный на эффекте Джоуля — Томсона, обладает болыпей простотой.
В нем не возяикает проблемы смазки, поскольку используемая аппаратура не содержит никаких подвижных частей, работающих прн низких температурах. Однако за эту простоту приходится расплачиваться дорогой ценой -- огромной потерей эффективности охлаждения и необходимостью работать при высоких давлениях с использованием болыпих количеств газа. Охлаждение, которое можно получить адиабатическим расширением, обычно много больше того, что дает эффект Джоуля — Томсона.
Но при этом встречаются существенные трудности, связанные со смазкой подвижных узлов: при низких температурах масло замерзает. Клод применял прокладки из сухой обезжиренной кожи. Роль смазки играл сам ноздух, просачивающийся в небольшом количестве между уплотнением поршня и стенками цилиндра. П. Л. Капица (1894 — 1984) в 1934 г.
предложил применять в поршневых детандорах поршень без уплотнительных колец из кожи. В построеннол«нм детандоре между боковой поверхностью цилиндра и поршнем имелся зазор 0,03б мм )прл> диаметре порно>я 30 мм), заполненный газом, который играл роль смазки. ь!тобы избе>ка>ль «заклнн>звания поршнял, на нем были сделаны кольцсвыо канавки глубиной и шириной по 0,2б мм, расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга, обеспечивающие выравнивание давления газа на боковую поверхность поршня.
Свой детандор Капица успешно применил для с>кижения гелия. !!реднарительное охлаждение газообразного гелия производилось жидким азотом. Другое решение, снимающее проблему смазки, состоит в замене поршневого детандора турбиной. Это бьп>о предложоно сше Рэлеем (1842- 1919) в 1898 г. Однако периые работающие плурбодегли>«дары, псьвидил«ол>у, были изготонлоны только в начале 30-х годов в Германии.
Впервые анализ работы турбодетандора был З 105) .Четодь> получен>т шывпя тежперътур и сысоженпл завов 405 произведен П. Л. Капицей. Он в>яявил преимущества турбодетандоров перед ранее применявшимися поршневыми детандорамн. Современные мощные ожижители работают по принципу турбодетандора. 4.
Циклы, описанные выше, предназначены для непрерьшноао со>сиз>сгнил газов. Однако значительно проще производить сжнжение периодически методом од>к>к!>птпного од»обо>п>н >еского 1исшпрешщ сж>ь >инго газа. Такой метод впервые был применен Кальете (!832 — !9.!3) в 1877 г. для сжи>кения воздуха, а затем Ольшевским (1846-!915) в 1887 г. для сжижения водорода. Сжатый газ подвергался сначала предельно возможному предварительному охлаждению, а затем адиабатически расширился. Попытки названных ученых ожижнть указанн>яе газы лишь частично увенчались успехом. Кальете нс удалось получить жидкий воздух.
а Ольшевскому — жидкий водород. Они наблюдали только кратковременное появление тумана. состоящего из мельчайших капелек этих жидкостей. Успепп>ое применение метода однократного адиабатического расширения относится к 1932 г., когда Симону удалось получить таким путем жидкий гелий. С тех пор этот метод широко применяется для получения небольших количеств жидкого гелия. Он получил название вкопана>ояноао метода. В !935 г. Симон, Кук и Пирсон получили тем же методом жидкий водород.
Экспансионный метод пригоден только в том случае, когда теплосмкость сосуда меньше теплоемкости находящегося в нем газа. Это условие выполняется лишь при очень низких температурах, когда теплоемкость твердых тел сильно падает. Поэтому экспансионный метод применяется практически только для сжижения водорода и гелия. Этим же об ьясняется неудача опьггов Кальете по ежи>кению кислорода. 5. Имея в распоряжении сжиженный газ, можно добиться дальнейшего пони>кения температуры, заставляя жидкость кипеть под пониженным давлением. Этим воспользовались польские ученые Вроблевский (1845 — 1888) и Ольшевский (1820 — 1883). впервые получившие жидкий кислород.
Они использовали тот же прием для сжижения газов, которым пользовался Фарадей. Была взята толстенная изогнутая стеклянная трубка с запаянным концом. Запаянный конец трубки погружался в жидкий зтилен. кипящий под пониженным давлением прн температуре — !30 С (т. е. ниже критической температуры кислорода — 118,8'С). Другой конец трубки соединялся с баллоном, в котором содержался сильно сжатый кислород. При открывании соединительного крана на стенках трубки появлялись капельки жидкого кислорода, которые, скатываясь, собирались на дне грубки. 6.
>Кидкий водород был впервые получен Дьюаром (1842 — 1923) в !898 г. в 3!ондонском Королевском институте. Им был использован эффект Джоуля — Томсона. Сжатый до высокого давления водород предварительно охлаждался ниже температуры инверсии в змеевике, погруженном в жидкий воздух, кипяп!ий под пониженным давлением, а затем подвергался дросселированию. Понадобилось еще десять лет, прежде чем Камерлинг-Онносу (1853 — 1926) и его сотрудникам в Лейденском университете удалось перевести в жидкое состояние гелий. ) Гл, Ч1И Ргл и нме вовы 406 Спустя еще 15 лет жидкий гелий стали производить и в других местах. В настоящее время жидкий гелий получают в больших количествах не только в научных лабораториях, но и на заводах.
Температуры кипения обычного гелия ~~Не) при нормальном давлении равна 4,2 К. Заставляя Не кипеть под пониженным давлением, можно достигнуть телшературы 0,7 — 1 К. Для получения температур ниже 1 К употребляют ванны с жидким вНе, который имеет более низкую температуру кипения (3,2 К). Откачивая ванну с жидким вНе, удается понизить томпературу до 0,3 К.
Для получения еще более низких гемператур применягтсл метод адиаботпческого раэжагнн'теанил парамагнитных солей и эффект охлаждения при растворении вНс в сверхтекучем Не. О методе адиабатического размагничивания мы 4 будем говорить в третьем томе нашего курса. Наинизшая температура, достигнутая таким методом, состанляет 0,0014 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
